CN115523839A - 一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法 - Google Patents

一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，在拼接子镜间设计子瞳相位差成像系统；在子瞳相位差成像系统的基础上，执行估计子镜间边缘误差的算法；基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，测量的是反射面的边缘误差，无须标定零点，计算方法简单可靠，能够实现边缘误差的实时探测；并且抗噪性能好，具有不被复杂工作环境影响的优势；不仅可以在主动调整阶段进行应用，也可以在共相保持阶段进行应用。

Description

一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法
技术领域
本发明涉及拼接子镜边缘误差探测技术领域，尤其涉及一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法。
背景技术
大口径天文望远镜是天文学家研究重大前沿科学问题的重要工具，其性能主要体现在集光能力与分辨能力上，望远镜的口径越大，其集光能力越强，分辨率越高；由于受到镜体加工、镜面检测、结构方案、运输装调以及后期维护等因素的制约，单体式主镜口径无法持续增长，因此提出了拼接镜的思想，采用许多小口径反射镜面拼接成大口径等效镜面，通过调整子镜的位姿状态使拼接主镜实现共相，达到衍射极限。
高精度的子镜边缘误差探测是采用拼接子镜主动光学技术的望远镜实现共相的关键，拼接子镜主动光学共相控制分为主动调整和共相保持两个阶段，其中主动调整阶段通常利用光学传感技术对子镜间边缘误差进行探测，共相保持阶段利用机电型边缘传感器对子镜间边缘误差进行实时探测。
目前拼接子镜间边缘误差的光学传感技术主要有基于点扩散函数(PSF)的边缘误差传感技术、曲率波前探测技术、四棱锥探测技术、色散条纹探测技术、泽尼克相衬探测技术、基于相位差法的最优化技术等；如色散条纹探测技术的基本原理是在出瞳位置处放置棱栅色散元件，通过子镜间的干涉图样光强分布来拟合提取子镜的共相误差；相位差法的原理在于采集两幅或多幅存在相位差异的像面图像，根据这些图像的光强分布信息求解出波前误差，前仅用于光学系统整体面型的估计，再从整体面型中提取子镜的拼接误差。
现有的光学型子镜边缘误差探测技术，大部分要求检测目标是点光源，为了实现高精度探测还需要目标有足够亮度；并且这些探测技术需要最优化方法、迭代或者拟合求解共相误差，计算量大，检测实时性差；因此只能作为主动调整的探测方案和定标机电型传感器的辅助传感方案，没有办法用于共相保持阶段。
现有技术中的机电型边缘传感器所反映的是拼接子镜背面的边缘误差变化，无法直接进行反射面的边缘误差测量，必须定标零点才可以转换为反射面的边缘误差；随着大口径望远镜应用于更复杂的观测环境，如大型太阳望远镜等也需要采用拼接子镜主动光学技术，仅用机电型边缘传感器是很难实现拼接主镜长时间的共相保持。
因此，本领域技术人员致力于开发一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，旨在解决现有技术中存在的缺陷问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是目前边缘误差探测技术中，机电型边缘传感器所反映的是拼接子镜背面的边缘误差变化，无法直接进行反射面的边缘误差的测量，必须定标零点才可以转换为反射面的边缘误差，并且在复杂的工作环境中，仅用机电型传感器很难实现长时间的共相保持；目前的光学型边缘误差探测技术受到检测目标的限制，算法复杂，检测实时性差，不适合应用于共相保持阶段。
为实现上述目的，本发明一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，包括如下步骤：
步骤1、在拼接子镜间设计子瞳相位差成像系统；
步骤2、在步骤1成像系统的基础上，执行估计子镜间边缘误差的算法；
其中所述步骤2中的，算法所定义的代价函数为：
Figure BDA0003936237610000021
此代价函数用正弦函数表示为：
Figure BDA0003936237610000022
其中If、Id分别是焦前和焦后的观测目标短曝光像的傅立叶频谱；Hf、Hd分别是有子镜间边缘误差的子瞳的焦前和焦后的OTF；P是子镜间边缘误差，u、v是傅立叶频域的坐标；子镜间边缘误差P的取值范围为[-λ/4，λ/4]，λ是观测中心波长。
所述代价函数利用正弦函数进行拟合，子镜边缘误差在[-λ/4，λ/4]范围内时，当e取得最小值时的P即为子镜间边缘误差；
所述步骤1中的子瞳设计如图1所示，所述子瞳设计为圆孔径，直径为6cm至10cm之间，子镜边缘位于子瞳中间；
所述步骤1中的拼接子瞳相位差成像系统，如图2所示，所述子瞳相位差成像系统可以同时获得子瞳的两个不同离焦量的观测目标短曝光像，从这两个观测目标的短曝光像中实时估计子镜边缘误差；
所述子瞳相位差成像系统的两个通道的离焦量像差PV不超过一个波长，不小于0.5波长，一个通道在焦前，一个通道在焦后，两个通道与焦面的距离相等；
所述步骤2的子镜边缘误差的探测算法原理为，通过定义代价函数，利用已设计好的多个OTF模板与短曝光像的傅里叶频谱计算代价函数的值，对代价函数值进行正弦函数拟合，估计子镜间的边缘误差；
所述步骤2执行的算法具体探测流程步骤如下：
步骤S1、定标子瞳与子镜边缘的关系，确定前后离焦位置；
步骤S2、根据检测范围，模拟生成焦前和焦后的OTF模板；
步骤S3、获取子瞳焦前和焦后短曝光像，并计算短曝光像的傅里叶频谱；
步骤S4、短曝光像的傅里叶频谱与OTF模板计算代价函数值；
步骤S5、用正弦函数拟合代价函数值，估计子镜边缘高度；
所述步骤S1，定标子瞳与子镜边缘的关系，是通过准确测量焦前和焦后通道的离焦量，所确定到前后离焦位置的；
所述步骤S2是在步骤S1确定前后离焦位置后进行的；
所述步骤S2的检测范围为，子镜间边缘误差P的取值范围内，其中P值取等间隔的设计子瞳的模板，随后即可计算得到每个模板的焦前和焦后的OTF；
所述步骤S2的检测范围为[-λ/4，λ/4]，在检测范围内，子镜边缘误差取11个等间隔的值来设计子瞳的OTF模板，随后根据子镜边缘误差的取值，即可计算得到每个模板的焦前和焦后的OTF模板；
所述步骤S3获取子瞳的焦前、焦后短曝光像后，计算焦前和焦后像的傅立叶频谱；
所述步骤S3中，观测目标短曝光像的曝光时间小于30ms；
所述步骤S4，利用前面步骤S2得到的模板的OTF和步骤S3得到的短曝光像的傅立叶频谱，通过代价函数的定义，即可计算出一组代价函数值；
所述步骤S5，以子镜间边缘误差P为变量，用正弦函数拟合代价函数值，提取极小值处的相位，随后将提取的相位转换为子镜间边缘误差；
采用以上方案，本发明公开的基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，具有以下优点：
(1)本发明的基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，由于观测目标探测拼接子镜边缘误差，测量的是反射面的边缘误差，所以不用标定零点，与机电型边缘传感器相比，具有不被复杂工作环境影响的优势；
(2)本发明的基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，在估计拼接子镜边缘误差中采用三角函数拟合算法，计算方法简单可靠，也可以进行边缘误差的实时探测，抗噪性能好；不仅可以在主动调整阶段进行应用，也可以在共相保持阶段进行应用，丰富了应用场景；
综上所述，本发明公开的基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，测量的是反射面的边缘误差，无须标定零点，不仅可以在主动调整阶段进行应用，也可以在共相保持阶段进行应用，并且具有不被复杂工作环境影响的优势；并且本方法采用的子镜间边缘误差的算法，计算方法简单可靠，可以进行边缘误差的实时探测，抗噪性能好。
以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法的拼接子镜间的子瞳设计结构示意图；
图2是本发明基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法的拼接子瞳的相位差探测成像系统图；
图3是本发明基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法的执行算法流程图；
图4是本发明基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法的代价函数正弦曲线图；
图2中，1、望远镜焦面；2、准直镜；3、子瞳掩膜；4、成像镜；5、分光棱镜；6、探测系统焦面；7、后离焦面的探测器；8、前离焦面的探测器。
具体实施方式
以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1、采用本发明方法对拼接子镜边缘误差进行实时探测
首先进行步骤1、在拼接子镜间设计子瞳相位差成像系统，本次实施例1的子瞳设计如图1所示，所述子瞳设计为圆孔径，直径为6cm，子镜边缘位于子瞳中间；
随后建立拼接子瞳相位差成像系统，如图2所示，所述子瞳相位差成像系统可以同时获得子瞳的两个不同离焦量的观测目标短曝光像，从这两个观测目标的短曝光像中实时估计子镜间边缘误差；本次实施例1中的观测目标为点光源，子瞳两个不同离焦量像的曝光时间为30ms；
在执行完步骤1，完成拼接子镜间设计子瞳相位差成像系统的建设后，开始执行步骤2、执行估计子镜间边缘误差的算法；
步骤2执行的算法原理为，通过定义代价函数，利用已设计好的多个模板与短曝光像的傅里叶频谱计算代价函数的值，对代价函数值利用正弦函数拟合，估计子镜间的边缘误差；
代价函数的定义如下：
Figure BDA0003936237610000041
其中If、Id分别是焦前和焦后的观测目标短曝光像的傅立叶频谱；Hf、Hd分别是指定子镜间边缘误差的子瞳的焦前和焦后的OTF模版；P是指定的子镜间边缘误差，u、v是傅立叶频域的坐标；子镜间边缘误差P的取值范围为[-λ/4，λ/4]，λ是观测中心波长；在本次实施例1中，上述定义的代价函数采用正弦函数进行拟合：
Figure BDA0003936237610000051
由定义的代价函数可知，当代价函数e取得最小值时的P为测量的子镜间边缘误差；
其中步骤2执行的算法具体探测流程步骤如下:
步骤S1、定标子瞳与子镜边缘的关系，确定前后离焦位置；
步骤S2、根据检测范围[-λ/4，λ/4]，子镜边缘误差取N个等间隔的值，计算子瞳焦前和焦后的N个OTF模板；
步骤S3、获取子瞳焦前和焦后短曝光像，并计算其傅里叶频谱；
步骤S4、通过代价函数的定义，计算短曝光像的傅里叶频谱与OTF模板的N个代价函数值；
步骤S5、用正弦函数拟合N个代价函数值，估计子镜边缘高度；
所述步骤S1，定标子瞳与子镜边缘的关系，是通过准确测量焦前和焦后通道的离焦量，来确定到前后离焦位置的；
所述步骤S2是在步骤S1确定前后离焦位置后进行的；
所述步骤S2的N，根据计算能力和计算速度要求取不同的N，通常可以为11或21；
所述步骤S2的检测范围为[-λ/4，λ/4]，在检测范围内，子镜边缘误差取N个等间隔的值，计算子瞳焦前和焦后的N个OTF模板；
所述步骤S3获取子瞳的焦前和焦后短曝光像后，计算焦前和焦后像的傅立叶频谱；
所述步骤S4，利用前面步骤S2得到OTF模板和步骤S3得到的短曝光像的傅立叶频谱，通过代价函数的定义，即可计算出一组代价函数值；
所述步骤S5，参考图4，以子镜间边缘误差P为变量，用正弦函数拟合代价函数值，提取极小值处的相位，随后将提取的相位转换为子镜间边缘误差；
在执行完上述步骤后，本实施例1即完成了对拼接子镜边缘误差的高精度实时探测。
实施例2、采用本发明方法对拼接子镜边缘误差进行实时探测
除了观测目标为扩展源之外，其余操作与实施例1相关操作完全一致；最终执行算法得到的拼接子镜边缘误差高精度实时探测也与实施例1得到的结果一致。
对比例1、采用基于相位差波前探测技术对拼接镜边缘误差进行实时探测
本次对比例1，采用的观测目标是点光源，采集了焦面图像和离焦图像，通过最优化方法(BFGS)求解子镜的边缘误差，其算法执行过程复杂，计算量大，检测实时性差；并且在最优化求解过程中容易受到噪声的干扰，抗噪性能差，很难应用于共相保持阶段。
对比例2、采用电容式边缘传感器拼接子镜边缘误差进行实时探测
本次对比例2，受检测原理的限制，检测的是拼接子镜背面的边缘误差变化，无法直接进行反射面的边缘误差测量，需要对传感器的零点进行定标；并且在实时检测过程中容易受到环境温湿度变化的影响，因此很难应用于复杂的工作环境中。
对比分析：通过实施例1、2与对比例1、2的分析比较，可以得出本实施例提前设计子瞳焦前和焦后的OTF模板，根据定义的代价函数，计算OTF模板与两个不同离焦图像傅里叶频谱的代价函数值，对代价函数值进行正弦函数拟合；该方法计算简单，大大提高了计算的效率，可以进行边缘误差的实时探测；实施例的检测目标可以是点光源也可以是扩展源，并且抗噪性能好，在复杂的工作环境中依旧可以使用，应用场景广泛；并且实施例1、2在实施时测量的是反射面的边缘误差，无须标定零点，且因算法计算方法简单，不仅可以在主动调整阶段进行应用，也可以在共相保持阶段进行应用。
综上所述，本专利技术方案，测量的是反射面的边缘误差，无须标定零点，计算方法简单可靠，能够实现边缘误差的实时探测；并且抗噪性能好，具有不被复杂工作环境影响的优势；不仅可以在主动调整阶段进行应用，也可以在共相保持阶段进行应用。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员，无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在拼接子镜间设计子瞳相位差成像系统；
步骤2、在步骤1成像系统的基础上，执行估计子镜间边缘误差的算法；
所述步骤2中的，算法所定义的代价函数为：
Figure FDA0003936237600000011
此代价函数用正弦函数表示为：
Figure FDA0003936237600000012
其中If、Id分别是焦前和焦后的观测目标短曝光像的傅立叶频谱；Hf、Hd分别是指定子镜间边缘误差的子瞳的焦前和焦后的OTF模版；P是指定的子镜间边缘误差，u、v是傅立叶频域的坐标；子镜间边缘误差P的取值范围为[-λ/4，λ/4]，λ是观测中心波长。
2.一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，其特征在于，
所述步骤1中的子瞳设计为圆孔径，直径为6cm至10cm之间，子镜边缘位于子瞳中间；
所述步骤1中的拼接子瞳相位差成像系统，可以同时获得子瞳的两个不同离焦量的观测目标短曝光像，从这两个观测目标的短曝光像中实时估计子镜间边缘误差；
所述子瞳的两个不同离焦量的观测目标短曝光像的曝光时间需要小于30ms；
所述子瞳相位差成像系统的两个通道的离焦量像差PV不超过一个波长，不小于0.5波长，一个通道在焦前，一个通道在焦后，两个通道与焦面的距离相等。
3.一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，其特征在于，
所述步骤2的子镜间边缘误差的探测算法原理为，通过定义代价函数，利用已设计好的多个OTF模板与短曝光像的傅里叶频谱计算代价函数的值，对代价函数值利用正弦函数拟合，估计子镜间的边缘误差；
所述步骤2，首先进行代价函数的定义，定义的公式如下：
Figure FDA0003936237600000013
所述代价函数用正弦函数表示为：
Figure FDA0003936237600000014
对上述代价函数进行正弦函数拟合，子镜边缘误差在[-λ/4，λ/4]范围内，当e取得最小值时的P即为子镜间边缘误差。
4.一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，其特征在于，
所述步骤2执行的算法具体探测流程步骤如下：
步骤S1、定标子瞳与子镜边缘的关系，确定前后离焦位置；
步骤S2、根据检测范围，模拟生成焦前和焦后的OTF模板；
步骤S3、获取子瞳焦前和焦后短曝光像，并计算短曝光像的傅里叶频谱；
步骤S4、短曝光像的傅里叶频谱与OTF模板计算代价函数值；
步骤S5、用正弦函数拟合代价函数值，估计子镜边缘高度。
5.一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，其特征在于，
所述步骤S1，定标子瞳与子镜边缘的关系，是通过准确测量焦前和焦后通道的离焦量，所确定到前后离焦位置的；
所述步骤S2是在步骤S1确定前后离焦位置后进行的；
所述步骤S2的检测范围为半个波长，子镜间边缘误差P的取值范围内，P取等间隔的数值来设计子瞳焦前和焦后的OTF模板。
6.一种基于观测目标的拼接子镜边缘误差高精度实时探测方法，其特征在于，
所述步骤S3获取子瞳的焦前和焦后短曝光像后，计算焦前和焦后像的傅立叶变换；
所述步骤S4，利用前面步骤S2得到的OTF模板与步骤S3得到的短曝光像的傅立叶频谱计算一组代价函数值；
所述步骤S5，以子镜间边缘误差P为变量，用正弦函数拟合代价函数值，提取极小值处的相位，随后将提取的相位转换为子镜间边缘误差。
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